基于5G的非地面網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展

徐霞艷

【摘 ?要】

利用衛(wèi)星或無人機等平臺構(gòu)建基于5G的非地面通信網(wǎng)絡(luò)，將進(jìn)一步擴(kuò)展5G技術(shù)的應(yīng)用范圍。介紹了5G非地面網(wǎng)絡(luò)的主要用例與部署場景，基于其技術(shù)特點分析了5G非地面網(wǎng)絡(luò)帶來的技術(shù)挑戰(zhàn)。在此基礎(chǔ)上，分析對比了基于透明載荷和再生載荷的多種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，對衛(wèi)星波束與小區(qū)和跟蹤區(qū)管理、移動性管理和物理層等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述，并總結(jié)了后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)化的主要技術(shù)方向。

【關(guān)鍵詞】5G;新空口;非地面網(wǎng)絡(luò)

0 ? 引言

5G承擔(dān)著萬物互聯(lián)的使命，除了傳統(tǒng)的地面5G蜂窩移動通信網(wǎng)外，業(yè)界也在研究采用5G新空口技術(shù)、基于衛(wèi)星或無人機等各類飛行器或高空平臺實現(xiàn)5G非地面網(wǎng)絡(luò)，為用戶提供大跨度、大范圍、遠(yuǎn)距離的漫游和機動、靈活的移動通信服務(wù)，特別是為地面5G系統(tǒng)無法服務(wù)或難以有效服務(wù)的偏遠(yuǎn)地區(qū)、海島、災(zāi)區(qū)、遠(yuǎn)洋船只及民航飛機等特定區(qū)域或?qū)ο筇峁?G通信，實現(xiàn)5G空地一體化服務(wù)的愿景。

本文首先對5G非地面網(wǎng)絡(luò)的主要用例及部署場景進(jìn)行了介紹，接著分析了5G非地面網(wǎng)絡(luò)帶來的技術(shù)挑戰(zhàn)，并對3GPP Rel-15與Rel-16階段研究的5G非地面網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)等進(jìn)行了梳理和詳細(xì)闡述，對3GPP Rel-17將開展的5G非地面網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)方向進(jìn)行了總結(jié)。

1 ? ?5G非地面網(wǎng)絡(luò)主要用例與部署場景

1.1 ?5G非地面網(wǎng)絡(luò)主要用例

（1）公眾用戶增強移動寬帶（eMBB）用例

針對5G地面網(wǎng)絡(luò)無法或難以服務(wù)的偏遠(yuǎn)村莊、海島、礦山、民航飛機、遠(yuǎn)洋船只或平臺等，可以利用5G非地面網(wǎng)絡(luò)提供寬帶連接，向用戶提供語音、視頻和數(shù)據(jù)等服務(wù)。在一些場景下，也可以將5G非地面網(wǎng)絡(luò)與地面蜂窩或有線連接結(jié)合起來，通過多連接等方式實現(xiàn)通信鏈路備份或數(shù)據(jù)分流。

（2）數(shù)據(jù)回傳用例

在偏遠(yuǎn)地區(qū)等場景中，運營商可以部署地面5G基站，利用5G非地面網(wǎng)絡(luò)為地面5G基站提供到公眾數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的回傳，實現(xiàn)與外界的通信。

（3）應(yīng)急救災(zāi)與公共安全用例

5G非地面網(wǎng)絡(luò)可以直接向警察、消防和醫(yī)療救護(hù)等應(yīng)急人員提供隨時、隨地的消息、語音等通信服務(wù)。此外，在一些災(zāi)難現(xiàn)場，可以快速部署應(yīng)急基站，由5G非地面網(wǎng)絡(luò)提供回傳，實現(xiàn)應(yīng)急人員之間以及與遠(yuǎn)程指揮中心的通信。

（4）移動廣播用例

利用5G非地面網(wǎng)絡(luò)，可直接向手持終端或車載終端提供廣播/多播業(yè)務(wù)。如在災(zāi)害導(dǎo)致地面網(wǎng)絡(luò)中斷的情況下，公共安全部門可以通過5G非地面網(wǎng)絡(luò)即時向公眾發(fā)布災(zāi)害警報，并在救災(zāi)期間為公眾提供指導(dǎo)。

（5）物聯(lián)網(wǎng)用例

在一些物聯(lián)網(wǎng)用例中，傳感器、執(zhí)行器等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備廣泛分散或在一個很大的區(qū)域內(nèi)移動，并且采集的信息需要上報到遠(yuǎn)程處理服務(wù)器。5G非地面網(wǎng)絡(luò)可以為這類用例中的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供連接。如交通行業(yè)中的車隊管理、資產(chǎn)跟蹤和遠(yuǎn)程道路警報，石油/天然氣行業(yè)中管道等基礎(chǔ)設(shè)施的狀態(tài)監(jiān)控等。

1.2 ?5G非地面網(wǎng)絡(luò)部署場景

5G非地面網(wǎng)絡(luò)指利用衛(wèi)星或無人機等各類飛行器或高空平臺上的射頻資源實現(xiàn)5G通信的網(wǎng)絡(luò)（或網(wǎng)絡(luò)的一部分）[1]。典型的5G非地面網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

5G非地面網(wǎng)絡(luò)包括如下組成部分：

（1）衛(wèi)星（或無人機等平臺）：通常在其視場范圍內(nèi)的給定服務(wù)區(qū)域上產(chǎn)生多個波束，向地面與空中提供5G信號覆蓋;

（2）關(guān)口站：位于地面，將5G非地面網(wǎng)絡(luò)與公眾數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接起來;

（3）終端：由衛(wèi)星（或無人機等平臺）提供通信服務(wù)，包括手持終端或VAST終端（甚小孔徑終端）等;

（4）業(yè)務(wù)鏈路：終端和衛(wèi)星（或無人機等平臺）間的通信鏈路，采用5G新空口技術(shù);

（5）饋電鏈路：關(guān)口站和衛(wèi)星（或無人機等平臺）間的通信鏈路，采用5G新空口技術(shù)或其它無線通信技術(shù);

（6）星際鏈路：在衛(wèi)星進(jìn)行星座組網(wǎng)時，可以在衛(wèi)星之間通過星際鏈路實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)發(fā)。星際鏈路可工作于無線電波段或光波段。

衛(wèi)星（或無人機等平臺）包括低軌道（LEO）衛(wèi)星、中軌道（MEO）衛(wèi)星、地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星、高軌道（HEO）衛(wèi)星和各類無人機平臺（包括HAPS高空平臺）等。其中地球靜止軌道衛(wèi)星高度為35 786 km，無人機平臺典型高度為5～200 km;相對地表給定地點而言，這兩類平臺的仰角與方位角理論上基本不變。低軌道衛(wèi)星的軌道典型高度在300～1 500 km，中軌道衛(wèi)星的軌道典型高度在7 000～25 000 km，這兩類衛(wèi)星在環(huán)繞地球的軌道上快速運行，因此需要依靠衛(wèi)星星座才能為地面提供連續(xù)的通信服務(wù)。

根據(jù)衛(wèi)星（或無人機等平臺）對5G信號處理功能（即通信有效載荷）的不同，可以分為透明載荷、再生載荷兩類。透明載荷實現(xiàn)射頻濾波、頻率變換和放大等基本功能，轉(zhuǎn)發(fā)的波形保持不變，相當(dāng)于射頻直放站。而再生載荷除了實現(xiàn)這些基本功能外，還要實現(xiàn)解調(diào)/譯碼、交換和路由、編碼/調(diào)制等功能，相當(dāng)于5G基站的全部或部分功能在衛(wèi)星（或無人機等平臺）上實現(xiàn)。

考慮不同類型衛(wèi)星（或無人機等平臺）、載荷、衛(wèi)星波束等多方面因素對5G非地面網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計的影響，3GPP Rel-16重點研究了基于地球靜止軌道衛(wèi)星和低軌道衛(wèi)星的6種參考部署場景（如表1所示）[1]。

地球靜止軌道衛(wèi)星的波束在地表的覆蓋區(qū)是固定的（場景A、B）。對基于低軌道衛(wèi)星的非地面網(wǎng)絡(luò)，衛(wèi)星可以利用波束賦形技術(shù)將某個波束指向地球上的一個固定區(qū)域，這樣在衛(wèi)星可見的這段時間內(nèi)，該波束在地表的覆蓋區(qū)可以基本保持不變（場景C1、D1）;如果不支持波束調(diào)節(jié)功能，則隨衛(wèi)星移動，衛(wèi)星波束在地表的覆蓋區(qū)也不斷移動（場景C2、D2）。

對衛(wèi)星（或無人機等平臺）與終端間業(yè)務(wù)鏈路的工作頻段，3GPP研究了6 GHz以下（如2 GHz的S波段）和6 GHz以上頻段（如Ka波段：下行為20 GHz、上行為30 GHz）[1-2]。

2 ? 5G非地面網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)挑戰(zhàn)

5G非地面網(wǎng)絡(luò)中衛(wèi)星（或無人機等平臺）位置高、波束覆蓋范圍大，非靜止軌道衛(wèi)星運行速度快，并且由于復(fù)雜度等原因通信有效載荷的性能可能受限，這些特點對5G非地面網(wǎng)絡(luò)帶來了傳輸時延大、多普勒頻移高、小區(qū)覆蓋半徑大、小區(qū)在“移動”等技術(shù)挑戰(zhàn)。

（1）傳輸時延的影響

衛(wèi)星（或無人機等平臺）處于很高的位置，與終端間的長距離傳輸將引入非常大的傳輸時延。對基于地球靜止軌道衛(wèi)星和基于低軌道衛(wèi)星（取軌道高度600 km）的非地面網(wǎng)絡(luò)，以終端最小仰角10°為例，根據(jù)傳輸距離和光速進(jìn)行計算，則終端與衛(wèi)星間的往返時延（RTT）分別達(dá)到270.53 ms、12.88 ms[2]。作為對比，在地面蜂窩移動通信系統(tǒng)中，以基站和終端間距離10 km為例，終端與基站間的往返時延僅0.066 ms。

非地面網(wǎng)絡(luò)中如此大的傳輸時延將對5G新空口物理層的自適應(yīng)調(diào)制編碼、功率控制等過程，以及HARQ（Hybrid Automatic Repeat reQuest，混合自動重傳請求）過程、MAC（Medium Access Control，媒體訪問控制）層和RLC（Radio Link Control，無線鏈路控制）層一些需要基站與終端交互的過程產(chǎn)生影響。

（2）小區(qū)覆蓋半徑的影響

衛(wèi)星的波束覆蓋半徑可達(dá)到幾百公里到幾千公里，因此小區(qū)覆蓋半徑非常大，處于小區(qū)中心和小區(qū)邊緣的終端到衛(wèi)星的傳輸時延相差很大，將對終端的隨機接入過程以及PRACH（Physical Random Access Channel，物理隨機接入信道）設(shè)計產(chǎn)生影響。

（3）衛(wèi)星移動的影響

對基于地球靜止軌道衛(wèi)星或無人機平臺的非地面網(wǎng)絡(luò)，衛(wèi)星或無人機平臺圍繞其理論位置小幅度移動，相對終端的速度比較小，因此帶來的多普勒頻移也較小。

在地面蜂窩移動通信系統(tǒng)中，以S波段（取2 GHz）、終端在時速500 km/h的高鐵上為例，最大多普勒頻移僅為0.46 ppm。而在基于低軌道衛(wèi)星的非地面網(wǎng)絡(luò)中，相對地面上固定的終端，衛(wèi)星高速運行引起的最大多普勒頻移達(dá)到了24 ppm（600 km軌道高度為例）[1-2]。但有賴于5G新空口標(biāo)準(zhǔn)提供的靈活性，通過選擇合適的系統(tǒng)參數(shù)，包括選擇較大的子載波間隔和時域上較密的解調(diào)參考信號（DMRS）等配置，結(jié)合終端與基站對多普勒頻移的補償，Rel-15/Rel-16 5G標(biāo)準(zhǔn)可以克服非地面網(wǎng)絡(luò)中的多普勒頻移[2]。

此外，由于低軌道衛(wèi)星高速移動，從地面的終端來看，相當(dāng)于小區(qū)在快速移動。地面上即使靜止的終端，也需要在衛(wèi)星間以及衛(wèi)星波束間不斷的“切換”，與地面蜂窩移動通信網(wǎng)中的體驗完全不同，需要在終端的注冊與位置管理、切換和尋呼等機制方面進(jìn)行相應(yīng)的考慮。

（4）載荷性能的影響

受復(fù)雜度等因素影響，衛(wèi)星（或無人機等平臺）上通信載荷的性能可能受限，將造成相位噪聲損失、峰均比（PAPR）高等影響[2]。在5G新空口現(xiàn)有的技術(shù)設(shè)計中，通過選擇合適的系統(tǒng)參數(shù)，如選擇較低的調(diào)制階數(shù)（如最高16QAM）、上行采用DFT-S-OFDM波形等，有利于克服這些影響。

基于上述分析，通過選擇合適的系統(tǒng)參數(shù)，Rel-15/Rel-16 5G現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)可以應(yīng)對非地面網(wǎng)絡(luò)中的多普勒頻移等效應(yīng)。但對于傳輸時延大、小區(qū)覆蓋半徑大、小區(qū)在“移動”等技術(shù)挑戰(zhàn)，仍需考慮標(biāo)準(zhǔn)增強，這些也正是標(biāo)準(zhǔn)化的重點研究方向。

3 ? 5G非地面網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)

3.1 ?網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3GPP Rel-16對基于透明載荷或再生載荷的多種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行了研究。

（1）基于透明載荷的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

衛(wèi)星（或無人機等平臺）上的透明載荷在通信處理功能上相當(dāng)于射頻直放站。如圖2所示，NR-Uu接口終結(jié)在終端（UE）和位于地面的5G基站（gNB）之間，衛(wèi)星（或無人機等平臺）并不終結(jié)NR-Uu接口。因此載荷的通信處理功能比較簡單，對載荷的實現(xiàn)復(fù)雜度要求不高。對5G標(biāo)準(zhǔn)而言，NR-Uu接口上的一些定時器需考慮進(jìn)行擴(kuò)展，以支持經(jīng)衛(wèi)星傳輸引入的長時延。

（2）基于再生載荷的非地面網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

根據(jù)載荷實現(xiàn)通信功能的不同，基于再生載荷的非地面網(wǎng)絡(luò)包括載荷實現(xiàn)完整的gNB功能、或?qū)崿F(xiàn)gNB分布式單元（gNB-DU）功能等不同形式。

以支持完整gNB處理功能的再生載荷為例，終端和衛(wèi)星（或無人機等平臺）之間是NR-Uu無線接口，衛(wèi)星（或無人機等平臺）上終結(jié)5G的NR-Uu接口和NG接口（如圖3）。對5G標(biāo)準(zhǔn)而言，NG接口上NG-AP協(xié)議的一些定時器需進(jìn)行擴(kuò)展以應(yīng)對饋電鏈路的大延遲。

而對支持gNB-DU處理功能的再生載荷，gNB集中式單元（gNB-CU）位于地面，載荷與關(guān)口站之間的饋電鏈路上傳輸?shù)氖?G的F1接口信號。采用這種架構(gòu)，需考慮對F1接口一些定時器進(jìn)行擴(kuò)展。

歸納來看，現(xiàn)有的5G無線網(wǎng)架構(gòu)可以支持上述不同的非地面網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[1]，但對NR-Uu接口、NG接口或F1接口協(xié)議定時器等需進(jìn)行必要的擴(kuò)展。出于標(biāo)準(zhǔn)化任務(wù)量的考慮，3GPP Rel-17決定先選擇相對簡單的基于透明載荷的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行正式標(biāo)準(zhǔn)化[3]。

3.2 ?衛(wèi)星波束與小區(qū)、跟蹤區(qū)管理

對基于地球靜止軌道衛(wèi)星（即上述參考部署場景A、B）和具備波束調(diào)節(jié)功能的低軌道衛(wèi)星（即參考部署場景C1、D1）的非地面網(wǎng)絡(luò)，同一個小區(qū)在地面上的覆蓋區(qū)是基本固定的，與地面網(wǎng)絡(luò)的特性一致。因此可采用與地面網(wǎng)絡(luò)類似的跟蹤區(qū)規(guī)劃方法，跟蹤區(qū)管理和尋呼等過程也可直接采用5G地面網(wǎng)絡(luò)原有機制。

而對基于波束隨衛(wèi)星移動的低軌道衛(wèi)星（即參考部署場景C2、D2）的非地面網(wǎng)絡(luò)，衛(wèi)星波束在地面掃描，同一個小區(qū)在地面上的覆蓋區(qū)是不斷移動的，這與5G地面網(wǎng)絡(luò)存在明顯的區(qū)別。因此重點要研究這兩種場景下的小區(qū)與跟蹤區(qū)管理等機制。3GPP研究對比了兩種跟蹤區(qū)規(guī)劃方案。第一種方案是依據(jù)衛(wèi)星波束定義跟蹤區(qū)，當(dāng)衛(wèi)星波束在地面掃描時，同一個TAI（Tracking Area Identity，跟蹤區(qū)號碼）實際覆蓋的地理區(qū)域也在改變，因此地面靜止的終端也會“看到”TAI改變，需要頻繁進(jìn)行跟蹤區(qū)更新流程，帶來不必要的信令開銷。第二種方案是相對地面來定義跟蹤區(qū)，即“相對地面固定的跟蹤區(qū)”，保持TAI與一個固定地理區(qū)域?qū)?yīng)的原則，終端的體驗與5G地面網(wǎng)絡(luò)中基本一致。3GPP經(jīng)過研究決定采用第二種方案，其優(yōu)點是可采用與地面網(wǎng)絡(luò)類似機制進(jìn)行跟蹤區(qū)管理，并降低位置更新信令開銷。

3.3 ?移動性管理

移動性管理包括終端空閑模式下的移動性管理和終端連接模式下的移動性管理。

空閑模式下的終端需執(zhí)行小區(qū)選擇/重選、跟蹤區(qū)管理等過程。結(jié)合衛(wèi)星波束與小區(qū)的不同特點，上文已經(jīng)討論了跟蹤區(qū)管理的基本機制。而對于小區(qū)選擇/重選，可利用終端的位置、衛(wèi)星星歷等輔助信息來幫助終端執(zhí)行測量和小區(qū)選擇/重選過程。發(fā)送與利用輔助信息的具體方式將在3GPP Rel-17階段進(jìn)一步研究。

對終端連接模式下移動性管理，非地面網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)挑戰(zhàn)帶來一些具體問題，包括：

（1）低軌道衛(wèi)星在不斷移動，對終端測量的有效性帶來了挑戰(zhàn);

（2）終端與衛(wèi)星間基本上是視距傳輸，從小區(qū)中心到小區(qū)邊緣衛(wèi)星信號的變化相對平緩，如果仍采用基于A3測量事件的機制來觸發(fā)切換，在非地面網(wǎng)絡(luò)中將導(dǎo)致較頻繁的乒乓切換。

針對上述問題，3GPP Rel-16階段研究中提出了對RRM（Radio Resource Management，無線資源管理）測量配置、測量報告的一些增強方案;在觸發(fā)切換的機制上，除了傳統(tǒng)的基于測量的觸發(fā)外，對基于終端位置、基于定時器、或基于源小區(qū)與目標(biāo)小區(qū)的仰角等觸發(fā)切換的機制也進(jìn)行了研究。這些增強技術(shù)方向?qū)⒃?GPP Rel-17階段進(jìn)一步研究。

3.4 ?物理層關(guān)鍵技術(shù)

通過物理層技術(shù)評估，3GPP確認(rèn)了采用S波段、基于5G新空口技術(shù)，利用低軌道衛(wèi)星和地球靜止軌道衛(wèi)星的非地面網(wǎng)絡(luò)可以為普通的手持終端（全向天線、功率23 dBm）提供通信服務(wù);如果采用高天線增益的其它類型終端（如VAST終端），則采用S波段或Ka波段都可以提供通信服務(wù)[1]。

但應(yīng)對非地面網(wǎng)絡(luò)帶來的傳輸時延大、小區(qū)覆蓋半徑大、小區(qū)在“移動”等技術(shù)挑戰(zhàn)，仍需要在標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備實現(xiàn)等方面深入研究。在物理層技術(shù)方面，3GPP Rel-17階段將重點在下列方向開展標(biāo)準(zhǔn)化工作：終端與基站間定時關(guān)系增強;上行鏈路時間和頻率同步的增強;優(yōu)化HARQ進(jìn)程數(shù)目，支持HARQ反饋的激活與去激活等。此外，還將進(jìn)一步評估下列技術(shù)方向進(jìn)行增強的必要性：PRACH序列和格式的增強;低軌道衛(wèi)星場景下，饋電鏈路切換對物理層過程的影響;頻率復(fù)用下的波束管理和BWP（Bandwidth Part，帶寬部分）操作等[3]。

4 ? 結(jié)束語

3GPP Rel-15/Rel-16階段開展了5G非地面網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)研究，通過研究確認(rèn)了基于5G技術(shù)采用衛(wèi)星（或無人機等平臺）實現(xiàn)移動通信的可行性，并在5G非地面網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景、參考架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)等方面取得了不少研究成果。3GPP Rel-17階段將開展基于透明載荷的5G非地面網(wǎng)絡(luò)的正式標(biāo)準(zhǔn)化工作[3]。此外，Rel-17也將繼續(xù)拓展5G非地面網(wǎng)絡(luò)的研究范圍，包括研究通過非地面網(wǎng)絡(luò)提供NB-IoT/eTMC物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)等[4]。

參考文獻(xiàn)：

[1] ? ?3GPP. 3GPP TR38.821： Technical Specification Group Radio Access Network; Solutions for NR to support non-terrestrial networks （NTN） （Release 16）[R]. 2019.

[2] ? ?3GPP. 3GPP TR 38.811： Technical Specification Group Radio Access Network; Study on New Radio （NR） to support non-terrestrial networks（Release 15）[R]. 2019.

[3] ? ?Thales. 3GPP TSG RAN meeting （RP-193234） WID on Solutions for NR to support non-terrestrial networks （NTN）[R]. 2019.

[4] ? ? Mediatek. 3GPP TSG RAN meeting（RP-193235）Study on NB-Io/eMTC support for Non-Terrestrial Network[R]. 2019.